HKMG工艺在DRAM上的应用

近期，DRAM制造工艺又实现了一次突破，这次操作来自于SK海力士，该公司宣布，已成功开发出全球首款采用HKMG（High-K Metal Gate）工艺的LPDDR5X内存，采用1αnm制程，该款LPDDR5X与上一代产品相比，功耗降低了25%，数据传输速率提高了33%，并在JEDEC设定的1.01V-1.12V超低电压范围内运行。

LPDDR5X用于以手机为代表的移动设备，它与PC、服务器用DRAM不同，对低功耗要求很高，同时，性能又不能下降太多，通过采用HKMG工艺，可以更好地保证提高性能地同时，又降低功耗。

以往，HKMG工艺主要用于逻辑芯片，特别是CPU、GPU等处理器，近些年，随着市场需求的发展，特别是5G通信、汽车智能化、VR/AR和使用AI的边缘计算等应用场景对内存性能的要求越来越高，DRAM制程工艺演进到了10nm-20nm范围，此时，高性能与低功耗的矛盾逐渐凸出，而HKMG是解决这一矛盾体的有效方法，首先是应用于非移动设备用DRAM，如服务器中的DRAM，代表企业是三星，如今，HKMG被引入移动设备用DRAM，也就是LPDDR，也是一个标志性的跨越。

01、HKMG是何方神圣？

早期，集成电路晶体管栅极材料用的是铝，采用的相关配套结构是铝金属/二氧化硅，后来发展到了多晶硅栅，采用的配套结构是多晶硅栅/二氧化硅，之后又经过一段时间的发展，升级到了多晶硅栅/SiON，2007年，HKMG横空出世。

提起HKMG工艺的由来，不得不提到集成电路传统霸主英特尔，2007年初，英特尔宣布在45nm制程节点处利用新型High-k（高介电常数）介质材料HfO2（二氧化铪）来代替传统SiON作为栅介质层，以改善栅极漏电流问题，同时利用金属栅代替多晶硅栅，开发出了HKMG工艺。之所以是45nm，是因为半导体制程按照摩尔定律发展到这个节点时，晶体管中最先达到极限的是栅极电介质，传统的栅极电介质已无法满足晶体管性能提高、体积缩小的要求，易产生漏电流等问题，造成晶体管可靠性下降，而高K金属栅则可以解决这一问题。HKMG工艺的最大特点就是介电常数高，HKMG以金属氧化物作为栅极电介质，与传统栅极结构相比，可以减少栅极漏电流，降低工作电压，并提高晶体管可靠性。这是20世纪60年代以来，晶体管技术的重大突破，也是半导体产业的一项重要创新。

可用作高K金属栅极电介质的金属氧化物需要具备禁带宽度高、物理化学性质稳定、热稳定性好、可制造薄膜材料、与硅元素兼容、兼容CMOS工艺等特点。HfO2是主流的高K金属栅极电介质材料，在半导体产业得到广泛应用。但HfO2存在高温稳定性较弱、与硅兼容性较差、沉积薄膜易产生缺陷等缺点，新的高K金属栅极电介质还在开发过程中。另外，铪基材料与多晶硅栅的兼容性一直是一个问题，所以需要采用金属栅。

当然，采用HKMG技术，对于金属栅极是有要求的，金属栅极的选择受到多种因素的影响，具体就不在此详述了。

02、DRAM大厂聚焦HKMG

近些年，三星电子，SK海力士、美光这三大存储芯片厂商竞相开发10nm-20nm制程级别DRAM，相继引入了EUV光刻设备，这在以前只会用于制造各种CPU等处理器，可见市场应用对DRAM要求越来越高，使得这三大厂商必须在制程工艺方面下更多功夫，因此，继 EUV之后，HKMG成为了另一个焦点。

2021年，三星电子首次将HKMG工艺用于DDR5，并推动了商业化进程。当时，三星电子曾经表示，HKMG DDR5内存模块的功耗比传统工艺减少了约13%，计划根据下一代计算市场的客户需求，适时将该内存商业化。但是，三星一直没有公开该款DRAM的商用化案例。今年，TechInsights透露了相关信息，该芯片已经应用于一家中国台湾高性能内存模块制造商的产品，据悉，该款DRAM是16Gb的DDR5，采用了HKMG工艺制造。

作为三星电子的老对手，DRAM大厂SK海力士自然不会坐视三星在DRAM技术方面领先，看到对手在PC、服务器用DRAM上采用了HKMG工艺，SK海力士更进一步，将该工艺用在了对功耗要求更高的移动设备DRAM上，也就是前文提到的LPDDR5X。

那么，SK海力士是如何做到的呢？

首先要了解一下DRAM的基本结构，组成DRAM的晶体管有以下几种：存储数据的单元晶体管(Cell Transistor)，恢复数据的核心晶体管(Core Transistor)，涉及控制逻辑和数据输入/输出的外围晶体管(Peripheral Transistor)。随着技术的进步，单元晶体管在提高DRAM存储容量方面取得了一些技术突破。然而，原来的核心晶体管和外围晶体管特性越来越不适合DRAM的应用要求，成为了发展瓶颈，特别是对于外围晶体管而言，只有实现工艺尺寸的进一步微缩，才能提高性能，在需要快速提高性能的高端产品中尤为如此。因此，需要一种全新的解决方案来克服微缩基于多晶硅栅极/SiON的晶体管时存在的限制，此时，HKMG工艺就是一个理想方案。

为了将DRAM的多晶硅栅极/SiON转换为HKMG栅极，需要对相关工艺进行更改，还必须对HKMG材料、工艺和集成流程进行优化，以适合新材料和新工艺。具体来看，要开发出一套复杂的工艺（具体情况不得而知，因为这是SK海力士的核心竞争力，属于绝对的商业机密），来解决以下几个问题。

一是要解决兼容性问题。与多晶硅栅极/SiON相比，HKMG的热稳定性较弱，由于DRAM需要在高温下进行特殊处理，以实现单元阵列结构，这与逻辑芯片（CPU、GPU等）采用的HKMG工艺有很大不同。因此，DRAM中HKMG工艺的特殊性会导致其可靠性下降，这就必须对HKMG工艺和DRAM集成工艺进行优化，以解决可靠性下降问题。

二是新材料控制。需要引入工艺控制措施，例如针对新材料的测量方案，以防止现有器件受到新材料和新工艺的影响。

三是要开发具有成本效益的工艺。可通过工艺集成优化，最大限度地减少因引入新材料和新工艺而导致的成本增加。

四是设计与测试优化。随着栅极材料的变化，晶体管特性和可靠性与传统多晶硅栅极/SiON截然不同，为了最大限度地发挥HKMG的优势，增强可靠性，需要新设计方案，并优化相关测试。

总之，通过将HKMG整合、优化成为适用于DRAM工艺的形式，开发出新平台，并通过包括试点操作在内的预验证工艺来确保方案可行，从而实现将HKMG工艺用于DRAM量产。

03、结语

以往，具备低漏电、高性能特性的先进制程工艺多用于逻辑芯片，特别是PC、服务器和智能手机用CPU，如今，这些工艺开始在以DRAM为代表的存储器中应用，再加上EUV等先进设备和工艺的“互通”，逻辑芯片和存储器的制程节点和制造工艺越来越相近。

在上世纪60年代，当CPU刚开始批量生产的时候，其制造工艺就是基于当时的存储器SRAM的工艺，经过几十年的发展，应用系统的变迁对CPU的要求不断提高，相应的制程工艺随摩尔定律快速发展。相对而言，存储器对制程的要求没有CPU那么高，但随着应用的进一步发展，特别是大数据和AI的演进，原有存储器制程的发展节奏难以满足应用要求了。因此，存储器制程工艺紧追了上来，目前已经十分接近以CPU为代表的逻辑芯片了。

这样的发展也使得CPU和DRAM之间的工艺壁垒变小了，这也在一定程度上迎合了存算一体发展趋势，也就是将CPU、AI等功能集成进DRAM。HKMG工艺在DRAM上的应用可以进一步促进存算一体的发展。

审核编辑：郭婷